Baterías de Litio: Chile a la vanguardia en innovación

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Chile es el principal productor de litio en el mundo, mineral cuyas propiedades se han ido descubriendo poco a poco, así como las potencialidades que posee. Hoy el litio se ha convertido en el principal elemento para la fabricación de baterías, que prometen ocupar menos espacio y también ser parte importante de la cadena de producción de energía sustentable. Es por esto que son numerosos los proyectos a nivel mundial orientados a desarrollar y mejorar baterías de litio. Y Chile no es la excepción.

Diciembre de 2014

Tras dos años de investigación el Centro de Innovación del Litio (CIL) de la Universidad de Chile, presentó "Elibatt 4.0", una batería construida en nuestro país, que puede ser monitoreada a través de una aplicación para smartphones y que pretende ser uno de los primeros productos de una futura fábrica de baterías, la primera en Chile y en Latinoamérica. El proyecto está encaminado a posicionar a los investigadores nacionales como líderes en innovación energética.

Elibatt 4.0 fue diseñado en forma pre-industrial y se espera sea comercializado a la brevedad.

¿Qué son los cultivos dendroenergéticos?

“Son especies vegetales establecidas a alta densidad, de crecimiento rápido, con fines de producir biomasa, desde la cual se obtiene energía”. ¿Qué quiere decir que los cultivos sean establecidos a “altas densidades”? Significa que son establecidos a densidades mayores a las habituales. En el área forestal por ejemplo, una densidad habitual sería 1.500 a 1.700 plantas por hectárea, o en el caso del eucaliptus son 5.000 árboles. En el caso del Miscanthus son 10.000 rizomas por hectárea, que es lo que habitualmente se siembra, y en Paulownia, 1700 plantas”, explica el Doctor Muñoz.

¿Por qué eligieron Miscanthus y Paulownia para su investigación?

El propósito del proyecto fue desarrollar nueva producción de biomasa para uso en cogeneración de energía y biocombustibles. Para eso se necesitaba establecer especies de rápido crecimiento y alta eficiencia productiva. El investigador destaca que “las dos son especies multipropósito. Por ejemplo Paulownia no sólo produce biomasa para energía, sino que también puede producir madera aserrada de muy alta calidad, sus flores tienen propiedades melíferas, pueden producir miel de buena calidad, sus hojas son palatables, es decir, pueden ser consumidas por el ganado; ambas son especies que para pequeños y medianos productores forestales presentan varias opciones, a diferencia de otras que sólo dan la opción de extraer la para pulpa o para madera aserrada. Cosa similar ocurre con el Miscanthus. Además son especies que se desarrollan muy rápido y son plantas C4”.

¿Qué son las plantas C4?

“Son plantas diseñadas por la naturaleza, por evolución natural, especializadas en producir alto volumen en situaciones en que habitualmente la planta no produce. Por ejemplo durante la noche las plantas C3 habitualmente no están produciendo volumen, en cambio estas plantas guardan material e insumos durante el día para seguir trabajando durante la noche, entonces son plantas que producen 24/7”, señala el Doctor Muñoz.

Las plantas C4 se caracterizan por una alta absorción de CO2, bajo consumo de agua y alto potencial de rendimiento, el que es superior a la de plantas C3 por el uso eficiente de la radiación, agua y nitrógeno. Algunas además poseen un mecanismo de fotosíntesis mejor adaptado a las bajas temperaturas, permitiendo una alta productividad.

Paulownia, el árbol multipropósito

La Paulownia elongata x fortunei es un árbol híbrido natural, que combina en su genotipo características como gran crecimiento, adaptabilidad a diferentes tipos de suelo, resistencia a la sequía y a las bajas temperaturas. Debido a que es una especie híbrida produce semillas inviables y se reproduce a través de micro o macroproagación. Es originaria de China, donde se la cultiva con fines madereros desde hace más de 3.000 años. Posee unas enormes hojas de hasta 80 cm, su corteza es de color gris claro y posee unas grandes y bellas flores de color violáceo y forma de campana.

Se desarrolla mejor en sitios con alta radiación solar y abundante agua disponible; no requiere fertilizantes ni pesticidas, tiene un bajo costo de mantención, no necesita labranza de la tierra y posee alta capacidad de rebrote. Los árboles maduros pueden llegar a medir 50 metros de altura y 2 metros de diámetro, los ejemplares jóvenes pueden alcanzar de 4 a 6 metros de alto el primer año en cultivos manejados con poda. Tiene un ciclo corto de 4 años y rotación cada 20 años. Son resistentes al ataque de plagas y enfermedades, aunque se han reportado daños por bajas temperaturas, hongos patógenos, algunos insectos y por conejos.

La madera de Paulownia es de color amarillo claro con tonos rosados, es fina, liviana, fácil de aserrar, cortar, pulir y tallar y se seca fácilmente. En 25 días puede alcanzar sólo un 10% de humedad, es útil para la construcción de elementos no estructurales como puertas, marcos, molduras, muebles, cajas y embalajes, tiene buena resonancia por lo que se puede utilizar para instrumentos musicales; presenta alta resistencia a la pudrición, es atractiva para la construcción de embarcaciones y en la industria del “kitesurf”. También tiene alta resistencia al fuego, su temperatura de ignición es de 420 a 430°C.

Miscanthus, el pasto superpoderoso

El Miscanthus x giganteus es un tipo de pastizal, una gramínea perenne híbrida natural y estéril que se reproduce en forma vegetativa a través de yemas de rizomas, es originaria de Asia y el este de África. Presenta ciclos de crecimiento anual de hasta 3,6 metros de altura, con rotación cada 16 años. Además de fuente de celulosa y biocombustibles, se usa como planta ornamental en jardines. Es más eficiente en la producción de etanol que los cultivos de maíz, requiere menos superficie e insumos para crecer.

La planta es capaz de adaptarse a condiciones de suelo diversas, es tolerante a diferentes valores de pH, desde 5,5 hasta 7,5. Se reproducen mejor a través de la división de rizomas y es necesario un control de malezas durante el primer año; puede producir cosechas con valores de humedad de entre un 15 y un 20%. Las enfermedades comunes de los cereales pueden afectar al Miscanthus, así como algunos insectos y hongos. A los conejos también les gusta mucho este pasto.

Su uso más común es en la producción de energía, su poder calorífico es alrededor de 17MJ kg-1, con 2,7% de cenizas. En Europa se la cultiva como fuente de bioenergía hace más de 30 años y en Estados Unidos han logrado rendimientos de 1-2 t/ha (toneladas por hectárea) el primer año y de 4-10 t/ha al segundo año. También se ha investigado como posible materia prima para el papel, materiales de construcción, geotextiles y sustratos en viveros e invernaderos.

Cultivos en tres lugares de la Región del Biobío

Se establecieron cultivos en 3 sitios distintos: en el Fundo El Vergel, en el sector de Chaimávida cerca de Concepción, zona agroclimática del secano costero, con clima templado cálido. Asimismo, en el sitio La Isla, cerca de Quillón, zona de secano interior y clima mediterráneo templado cálido. El tercer sitio fue el Fundo Trehualemu, sector del secano costero cerca de Pelluhue y Cobquecura, con clima templado cálido y fuertes vientos costeros.

Paulownia y Miscanthus fueron sembradas, cosechadas y estudiadas para determinar el rendimiento energético de la biomasa obtenida de ambas. Los resultados mostraron que es importante elegir el lugar adecuado para plantar estas especies, debido a que hubo muchas diferencias en el desarrollo de los árboles y del pasto en las distintas ubicaciones.

¿Qué productos para bioenergía se pueden generar a partir de estás especies?

“Se puede producir calor, quemando directamente la biomasa en calderas, se puede producir pélets, los cuales son también quemados en caldera, etanol, que es un combustible que se mezcla con gasolina”, señala el profesor Muñoz y agrega, “estos pélet además de su uso industrial también pueden llegar a las casas. En Chile y en el mundo hay una creciente demanda de pélet, una demanda insatisfecha y yo creo que plantaciones como éstas podrían ayudar a disminuir ese déficit”.

Paulownia creció mejor en la zona del secano costero, en suelo con alta capacidad de retención de humedad. Allí tuvo un alto rendimiento en biomasa con un máximo de 4,6 t/ha, con una densidad de la madera de 252 kg/m3 y producción de energía, en promedio de 4.300 kcal/kg (kilocalorías por kilogramo). Los niveles en la producción de pélet muestran que estos están sobre la norma en densidad y durabilidad y bajo lo máximo en cantidad de cenizas. En cuanto a la producción de etanol, ésta fue baja.

El Miscanthus se desarrolló mejor en los mismos sitios que la Paulownia, sectores costeros con suelos de buena retención de humedad. Los resultados para la producción de etanol señalan que éste es de buena calidad, y una producción como la del pino o eucaliptus, no así para los pélet, aunque se pueden mejorar con la adición de aglomerantes. Su poder calorífico fue en promedio de 4.000 kcal/kg, y su rendimiento máximo de más de 9.000 kg/ha.

Esta es la primera etapa de desarrollo, se espera continuar con las investigaciones, aumentar la cantidad de hectáreas plantadas en distintos lugares del país utilizando terrenos forestales improductivos, además de explorar las demás propiedades de las plantas, siguiendo con el trabajo con las instituciones del Estado y con los productores forestales para contar con alternativas eficientes para la producción de bioenergía.

Datos duros:

Nombre del Proyecto: Introducción y evaluación del cultivo de Miscanthus y Paulownia como fuente de biomasa lignocelulósica para la generación de energía renovable en la zona centro sur de Chile

Investigador Responsable: Dr. Fernando Muñoz Sáez, Facultad de Ciencias Forestales, Universidad de Concepción

Duración: entre los años 2010 y 2014

Financiamiento: Programa de I+D en Bioenergía del Fondo de Fomento al Desarrollo Científico y Tecnológico, Fondef, CONICYT, en colaboración con la Comisión Nacional de Energía, CNE

Fuentes:

Publicación “Antecedentes de Miscanthus x giganteus para la producción de bioenergía”, Ciencias Forestales, Universidad de Concepción, octubre 2014

Dr. Fernando Muñoz Sáez

Publicación “Antecedentes de Paulownia elongata x fortunei para la producción de bioenergía”, Ciencias Forestales, Universidad de Concepción, octubre 2014

Facultad de Ciencias Forestales, Universidad de Concepción: http://www.forestal.udec.cl/2014/11/cientificos-udec-entregaran-resultados-sobre-nuevas-especies-como-fuente-de-biomasa-lignocelulosica-para-fines-energeticos/